应用・交流——软起动器的节能与应用 机床电器２０１２．４ 软起动器的节能与应用 张粤（四川机电技术学校，６１１２３０） 摘要：通过对软起动器节电原理的阐述及电动机起动性能的分析，提出一种应用软起动器控制电动机的节能效 果及意义。 关键词：软起动器；功率因数；降压起动；起动电流；节能降耗；经济效益 中图分类号：ＴＭ５７３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００４—０４２０（２０１２）０４—００４９—０２ ０ 引言 软起动器控制技术是近年来出现的新技术，具有 动电流为额定电流的１．７～４倍；②Ｙ—Ａ降压起动，起 动电流为额定电流的１．８～２．６倍。可见，这种降压起 动方式，起动电流还是相对较大，功率因数较低（如图 １所示）。如果在负载情况下起动，由于负载转矩大， 电压偏低从而造成电动机起动困难，于是起动电流也 。 节电效果明显，起动特性好等特点。软起动器现已广 泛用于冶金、钢铁、油田等行业，对于其它行业来说，软 起动器在动力设备中的应用，节能降耗的意义将十分 重大。例如：一台７５ ｋＷ加压水泵，采用软起动器后， 运行８ ７６０小时（一年），就可节电７９ ２００ ｋＷｈ；一台３７ ｋＷ的粉碎机，一个年可节电５ ６００ ｋＷｈ。在节约电能 将增大，根据Ｔ＝Ｃ Ｉ２ｃｏｓ６ 可知，此时电动机的功 率因数（ｃｏｓ６：）也很低。综合以上两种情况不难发现， 大功率电动机不允许采用全压起动；如果采用常规的 降压起动方式，能量损耗大。 的同时维修费用也降低。据统计，在我国总电量使用 中，电动机就占了总耗电量的７５％左右。 １ 电动机性能与软起动原理 在生产实际当中，一些电气设备经常处于空载或 轻载状态下启动运行，此时由于电动机在额定电压下， 效率和功率因数均很低，造成电能大量浪费，因此完全 不符合当今“节能降耗”的要求。 负载的功率因数是有功功率与视在功率的比值 （ｃｏｓ６ ：Ｐ／ｓ），因此，电动机功率因数的高低衡量了 电动机节电性能的优良。由于电动机在不同负载下起 动，功率因数ｃｏｓ６ 都很小（如图１）所示。若电动机 全压起动，其起动电流大是额定电流的４～７倍、功率 图１ 转子电流和功率因数 随转差率变化的曲线 图２软起动控制电 压变化曲线 软起动器起动是一种利用微机技术，以单片机作 为控制处理器，用可控硅作为执行元件，这种控制 方式可以实时检测出负载的大小，并通过晶闸管的导 通角，改变其输出电压（如图２所示），达到通过自动 调整电压方式来控制起动电流和起动转矩；即，可以根 因数（ｃｏｓ６ ）很低，不仅配电变压器、电动机铁心损耗 增大，而且还对配电线路电压稳定性带来较大影响，甚 据电动机功率因数（ｃｏｓ ）的高低，自动判断电动机的 负载率，将功率因数角输入单片机，单片机根据最佳控 制算法，输出触发脉冲，调整可控硅的导通角来调整可 控硅的输出电压，使电动机在空载或轻载起动运行时 从而减小电机的铁心损耗，减小电机绕组的铜损，同时 也减小电网对电机的输入功率，减小电机有功和无功 损耗，达到提高功率因数实现“节能降耗”的目的。图 ．．．——至造成电气设备损坏；如果采用通常的降压起动方法 （如自耦变压器降压起动或Ｙ一△降压起动），虽然可 ，１ ｐ，ｊ２ 以降低起动电流，但是根据 若 可知， 降低电动机的端电压，减小起动电流（如图３所示）， 起动转矩也成平方的降低。实际上如果空载情况下降 压起动，这时加在电动机上的电压仍然偏高，起动时的 冲击电流还是较大，比如：①自耦变压器降压起动，起 ４９．．．．—— 机床电器２０１２．４ ３所示的斜坡升压起动方法适用于风机和泵类负载的 起动。 为空载 为空载 图３斜坡升压起动 ２ 电动机软起动与传统的起动方式 电动机传统的起动方式有全压起动和降压起动。 软起动是一种完全区别于全压和降压起动的控制方 式，是电子过程控制技术。所谓软起动，是以斜坡控制 方式起动，使电动机转速平滑，逐步提高到额定转速。 按照电动机起动电流大小进行分类，全压和降压起动 属于大电流起动方式，软起动属于小电流起动方式。 降压起动，可减小起动电流。比如常用的Ｙ一△降 压起动，其起动转矩下降到额定转矩的１／３，因此，Ｙ一 △降压起动降压起动必须是空载或很轻载的负载下起 动，在起动的过程中，虽然起动时的冲击电流有所减弱， 但是二次冲击电流同样对配电系统有一定的影响。软 起动器不仅可用于空载和轻载下的起动，还可用于额定 负载下的起动，起动电流根据负载情况逐渐增大。如图 ４所示为电压提升脉冲起动，在起动开始阶段，晶闸管在 极短时间内以较大电流导通，经过一段时间后回落，再 按原设定值线性上升，进入恒流起动状态。这种起动方 法适用于重载并需克服较大静摩擦的起动场合。 阶段 止阶段 图４电压提升脉冲起动 软起动器还具有安装方便，接线容易的特点。如 图５所示，软起动器对电动机不仅可以实现软起动还 一５０一 应用・交流——软起动器的节能与应用 可以实现软停车。工作中软起动器并不需要一直运 行，集成的旁路接触器ＫＭ：在电动机达到正常运行速 度之后闭合，将电动机连到线路上，这时软起动器关 闭。若要电动机停车，一旦发出停车信号，先将ＫＭ 分断，然后由软起动器对电动机进行软停车。 Ｌ１ Ｌ２ Ｌ３ 图５软起动器主电路图 全压和降压起动，都要受单位时间内起动次数的 。电动机的过热主要是短时间大电流冲击造成。 例如：通过６倍额定电流，温升为８～１５￣Ｃ／ｓ；起动装 置的自耦变压器或交流接触器起动引起堆积热；如交 流接触器一般要求起动次数每分钟不超过１０次。而 软起动器可频繁操作，具有电动机起动电流小，温升 低；软起动器采用的无触点电子元件，除大功率可控硅 外，工作时温升很低。 此外，软起动器还具有多种保护功能，配合硬件电 路，软件设计有过载、断相、欠压、过压等保护程序，动 作可靠程度高。归纳起来，软起动器很好的解决了全 压和降压起动电流过大而带来的一系列问题。 ３ 软起动器在机电设备上的应用 软起动器箱内面板上设有两个速率微动开关，分 别对应４种起动速率：重载、次重载、次轻载、轻载，起 动时间分别是９０ Ｓ、７０ ｓ、６５ Ｓ、６０ ｓ。使用时根据起动 负载选相应的起动速率。 例如，供水泵起动时：供水泵电动机起动的阻力转 矩主要由水的静压、惯性、管道阻力、水泵的机械惯性 和静动摩擦等构成。水的阻力、水泵的机械惯性及阻 力均与水泵的转速、加速度及叶轮的直径有关，速度低 时阻力小。水的静压阻力与扬程有关，水泵起动时，由 于水管中止回阀的作用，静压与摩擦不同时起作用，有 利于起动。供水泵起动，阻力转矩为额定转矩的 ３０％，属于轻载起动。在实际应用中供水泵电机轻载 运行者居多，节电潜力大。 在地质钻探行业中，如果在电力（下转第５８页） 机床电器２０１２．４ 应用・交流——直流调速系统原理与故障检修 节，直接加到触发电路的控制端，测量可控整流输出电 压 ，调节调速电位器，输出电压 也随着改变，同 时可以看到电动机的转速也随着改变，说明触发电路 正常。 ４ 结束语 由于测速发电机的故障，导致反馈电压丢失，而调 速环节认为电动机转速为零，就一直在加速状态，直至 加速到速度调节器ＡＳＲ和电流调节器ＡＣＲ的输出为 部分也正常，初步可以判断故障在速度调节器ＡＳＲ和 电流调节器ＡＣＲ部分电路与反馈环节； ｃ．调速环节ＡＳＲ、ＡＣＲ是比例积分调节器，采用 ＬＭ３３９集成运算放大器，在两级调节器的输入及输出 限幅值。使电动机起动并达到最高转速。 参考文献： 端都有限幅电路，特别是输入端，在两个输入端之间反 向并联了两只二极管，测量其输入电压都是在零点几 伏，调节调速电位器，则比例积分调节器的输入电压几 乎看不出变化，而比例积分调节器的输出电压都是在 限幅的最大值。没办法，只好把电压表接在电路中，仔 细观察起动过程中电压的变化，在观察速度调节器 ＡＳＲ的输入端的电压时，发现在起动过程中，给定环节 有电压，特别是在这个过程中，调节调速电位器，给定 电压这一路的电压有个微小的变化，而反馈环节这一 收稿日期：２０１２—０２—２３ ［１］黄尚先．现代机床数控技术［Ｍ］．北京：机械工业出版 社，１９９６． ［２］ 王爱玲．现代数控机床伺服及检测技术［Ｍ］．北京：国 防工业出版社，２００５． ［３］王凤蕴．数控原理与典型数控系统［Ｍ］．北京：高等教 育出版社，２００３． 路，电压根本不变，怀疑是反馈电路的故障，顺着反馈 回路继续检测，发现是测速发电机的故障，导致反馈电 压丢失，把测速发电机的故障排除后，重新起动，一切 作者简介：唐镜军（１９５６一）男，高级讲师，主要从事模拟电子 技术、数字电子技术的理论教学工作，从事变流技术及自动控 制技术的研究。 （上接第５０页） 潜力巨大，可以为各机械加工企业特别是大型企业在 条件允许的情况下，“钻机”也常常采用电动机提供动 降低生产成本上具有显著效果。 力，电动机功率的大小根据钻井深度来决定，通常采用 的电动机功率大约在１７～３２ ｋＷ。例如：我校的“钻 ４ 结束语 综上所述，采用软起动器控制电动机，其结构简 单，接线安装方便，节能显著，可以为企业降低生产成 机”钻井深度为１ ０００ ｍ，选用了功率为３２ ｋＷ的电动 机，目前采用的是“自耦降压器起动”，如果采用软起 动器来控制电动机，也可以达到节约电能的目的。 在机械加工行业中，各种机床设备都是以电动机 为其提供动力。对于７ ｋＶ￣－以上电动机的控制，现在 都是采用常规降压起动控制方式。例如，国产Ｃ６０型 本，提高经济效益，特别是在当今全球气候异常的情况 下，这种控制方式的应用具有重大和深远的意义，因 此，采用软起动器控制技术，顺应了工业发展的要求， 符合当今“节能减排、保护环境”的发展趋势。 参考文献： 车床，其加工工件的最大直径为１ ２５０ ｍｍ，则主拖动 电动机选用的电动机额定功率是Ｐ ＝６０ ｋＷ，也是采 用常规的降压起动控制方式。软起动器对电动机控 制，原则上，凡是在不需要调速的各种应用场合中，异 步电动机都可使用软起动器。只是要注意：在选用软 起动器时，要根据机床在起动时电动机工作电流的大 小来选择相匹配的软起动器。一般地，金属切削机床 电动机工作方式为周期性断续工作制，这类机电设备 起动频繁，空载或轻载运行时间长，采用软起动器来控 ［１］李发海，王［２］何岩．电机与拖动基础［Ｍ］．北京：清华大学 出版社２００５． 峰．电机原理［Ｍ］．北京：水利水电出版社，２０００． ［３］ 彭鸿才．电机原理及拖动［Ｍ］．北京：机械工业出版社， ２００８． ［４］ 田淑珍．电机与电气控制技术［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２０１０． 制可降低输入电压，减小电流，维持较高的功率因数， 因此具有很明显的节能效果，而对于以机械加工为主 收稿日期：２０１２—０３—０５ 的中国来说，软起动器控制技术在机床上应用的节电 一作者简介：张粤，男，讲师，技师，长期从事教学工作。 ５８一
